WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 5 Выращивание и легирование магнием слоев InAs методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений ¶ © Т.И. Воронина, Т.С. Лагунова, С.С. Кижаев, С.С. Молчанов, Б.В. Пушный, Ю.П. Яковлев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 27 октября 2003 г. Принята к печати 4 ноября 2003 г.) Получены эпитаксиальные слои InAs, легированные Mg методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений, и изучены их электрические свойства. Легирование магнием InAs во время роста методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений позволяет получить сильно компенсированный p-InAs с предельной концентрацией дырок p 2 · 1018 см-3 и с низкой подвижностью носителей (µ 50 см2/В · с при T = 300 K). При слабом уровне легирования Mg кристаллизуются слои InAs n-типа проводимости с высокой подвижностью по сравнению с нелегированными слоями n-InAs за счет связывания нейтральных примесей магнием.

1. Введение мальная концентрация p (5-8) · 1018 см-3. Марганец создает глубокие уровни в GaAs, InP, и, возможно, Преднамеренно не легированный арсенид индия, по- в InAs, поэтому применение Mn в качестве акцепторлученный различными методами, всегда имеет n-тип ной примеси уменьшает эффективность люминесценции проводимости. Для метода Чохральского (температура в приборах.

роста кристалла 900C) характерна кристаллизация В данной работе исследуется легирование InAs из раствора-расплава, близкого по составу к стехиомет- магнием, так как коэффициент диффузии магния рическому. Материал получается n-типа проводимости с D = 1.98 · 10-6 см2/с, в отличие от Zn, у которого минимальной концентрацией электронов n 1016 см-3 D = 3.11 · 10-3 см2/с [1]. Во всех соединениях AIIIBV, и подвижностью µ 5 · 104 см2/В · с при T = 77 K и полученных различными методами, Mg проявлял себя µ 2 · 104 см2/В · с при T = 300 K. Проводимость в как акцептор, замещая атомы In. Если рассматривать этом случае определяется мелкими донорными приме- метод газофазной эпитаксии из металлорганических сями S, Se и Te с энергией ионизации E1 = 0.002 эВ, соединений (МОГФЭ), то проводились исследования которые всегда присутствуют в исходных компонентах. легирования Mg слоев GaAs [2], InP [3–5], твердых В кристаллах, синтезируемых при более низких тем- растворов GaInAsP, AlGaInP [4,6,7], InGaAs [4,8], но нет пературах (500-650C) различными эпитаксиальными сообщений о введении Mg в слои InAs.

методами, как показало исследование фотопроводимо- В данной работе впервые сделана попытка вырастить сти и зависимости коэффициента Холла от темпера- и исследовать слои InAs, легированные Mg, с использотуры, кроме вышеупомянутых существуют примеси с ванием метода МОГФЭ. Работа посвящена получению энергией активации E2 = 0.02-0.03 эВ, обусловленные эпитаксиальных слоев InAs, легированных Mg, метонарушением стехиометрии в растворе-расплаве при дом МОГФЭ и изучению их электрических свойств.

понижении температуры роста пленки. В соответствии В интервале температур T = 77-300 K измерялись прос диаграммой состояний при таких температурах InAs водимость, коэффициент Холла R, подвижность µ и кристаллизуется в решетку с недостатком As. В ре- магнитосопротивление / в образцах с различной зультате возникает донорный структурный дефект „ва- степенью легирования Mg. Сопоставлялись результаты, кансия As + захваченная им примесь“ (VAs + примесь), полученные при одной и той же температуре подложки который увеличивает концентрацию электронов в эпи- и при одинаковом соотношении компонентов As и In в таксиальной пленке. Соотношение As и In, а следова- газовой фазе, но с разной концентрацией Mg.

тельно, количество структурных дефектов и концентрация электронов в кристалле зависят от температуры 2. Экспериментальные результаты выращивания.

и их обсуждение Для получения материала p-типа чаще всего используют цинк, который хорошо растворяется в InAs и Слои InAs были выращены методом МОГФЭ в реакпозволяет получить материал с концентрацией дырок торе горизонтального типа при атмосферном давлении.

p > 1 · 1018 см-3. Цинк, однако, — быстро диффундируПодложки размещались на молибденовом подложкоющая примесь, из эпитаксиальных слоев он проникает держателе с резистивным нагревом. Использовались в подложку, что может повлиять на свойства материала полуизолирующие подложки GaAs, легированные Cr и их вопроизводимость. Кроме того, известно использос ориентацией (111), а также подложки InAs (100) вание Mn как акцептора в InAs. В этом случае макси(n 2 · 1016 см-3). Общий поток водорода через реактор ¶ E-mail: serguie@mail.ru был 16 л/мин. В качестве источников использовались Выращивание и легирование магнием слоев InAs методом газофазной эпитаксии... Таблица 1. Характеристики не легированных и легированных Mg эпитаксиальных слоев InAs T = 300 K T = 77 K Количество № вводимого Тип Концентрация Подвижность Тип Концентрация Подвижность образца в реактор Mg, прово- носителей носителей B прово- носителей носителей B r r мкмоль/мин димости заряда, 1016 см-3 заряда, см2/В · с димости заряда, 1016 см-3 заряда, см2/В · с 1 0 n 7.76 4450 0.55 n 7.7 4150 1.2 0.047 n 7.6 5220 1.1 n 6.4 7840 1.3 0.068 n 7.7 6430 0.6 n 6.35 11450 1.4 0.190 n 8.06 6320 0.95 n 1.4 9600 1.5 0.239 n 6.6 6130 1.1 n 5.8 9200 1.6 0.971 n 5.5 4250 0.83 n 1 4000 1.7 1.972 n n 8 3.223 n p 9 15.121 n p 10 15.121 p 180 50 p 125 Примечание. Образец 10 выращен при 570C, для остальных образцов температура роста была 600C.

триметилиндий TMIn, разбавленный до 20% в водороде личества вводимого Mg, начиная с 3.223 мкмоль/мин арсин AsH3. Для легирования эпитаксиальных слоев Mg (образец 8), происходит перекомпенсация примесей и было выбрано соединение бисциклопентадиенил магния слои InAs имеют p-тип проводимости (при T = 77 K) (C5H5)2Mg. Фотолюминесцентные свойства нелегиро- с очень низкой подвижностью (µ77 = 180 см2/В · с). При ванного InAs, выращенного на подложках InAs, ранее T = 300 K проводимость имеет электронный характер.

исследовались в работах [9,10], где были также опре- Такая же картина наблюдается при количестве вводимого Mg 15.121 мкмоль/мин. Дырочный тип проделены оптимальные условия роста слоев: отношение водимости как при T = 300 K, так и при T = 77 K компонентов в газовой фазе V/III = 40, температура удалось получить при той же концентрации Mg, но роста 600C, скорость роста 0.4 мкм/ч.

Основные характеристики исследованных в настоя- только при снижении температуры выращивания до T = 570C. При этом слои имели концентрацию дырок щей работе не легированных и легированных магнием p77 = 1.2 · 1018 см-3, p300 = 1.6 · 1018 см-3 с низкой поэпитаксиальных слоев приведены в табл. 1.

движностью µ77 = 40 см2/В · с, µ300 = 51 см2/В · с и очень Рассмотрим сначала свойства преднамеренно не леплохой морфологией слоев.

гированных образцов, которые всегда имели n-тип проводимости. Образец 1 является типичным из них.

В нем концентрация электронов n77 = 7.8 · 1016 см-3. Анализ результатов и n300 = 8 · 1016 см-3, подвижность электронов µ77 = = 4150 см2/В · с и µ300 = 4450 см2/В · с. Видно, что для Перейдем к анализу полученных результатов. Растакой концентрации носителей тока подвижность элексмотрим вначале температурную зависимость коэффитронов очень низкая и обусловлена не только рассеяциента Холла R для всех исследованных образцов. На нием на колебаниях решетки и ионах примеси, а какирис. 1 приведена зависимость R от обратной температуми-то дополнительными факторами, природу которых ры. Видно, что как в исходном образце 1, так и во всех мы постараемся установить при анализе температурных легированных Mg, кроме образца 7, коэффициент Холла и полевых зависимостей эффекта Холла, подвижности и практически не изменяется, что указывает на вырождемагнитосопротивления в этих образцах.

ние электронного газа. Только при высоких температуРассмотрим динамику изменения свойств эпитак- рах (T > 210 K) намечается небольшое уменьшение R, сиальных слоев InAs по мере увеличения количе- связанное, возможно, с проявлением более глубоких ства Mg, вводимого в реактор. При легировании уровней (не водородоподобных) в запрещенной зоне вплоть до количества вводимого Mg 0.068 мкмоль/мин (ED 0.02 эВ). В образце 7 наблюдается аномальный концентрация электронов остается практически неиз- ход зависимости R от 1/T, что можно объяснить сильной менной, но их подвижность возрастает в 2-3 раза компенсацией примесей, в результате которой возни(до µ77 = 11 450 см2/В · с в образце 3). При увеличе- кают флуктуации потенциала и искажение дна зоны нии количества Mg в реакторе до 0.19 мкмоль/мин проводимости и валентной зоны „хвостами“ плотности наблюдается уменьшение концентрации электронов и их состояний. В этом случае коэффициент Холла, согласно подвижности в слое. В образце 6 n77 = 5.2 · 1016 см-3, теории [11], не отражает концентрацию носителей тока.

n300 = 5.5 · 1016 см-3; подвижность µ77 = 4000 см2/В · с, Проводимость осуществляется по уровню протекания.

µ300 = 4250 см2/В · с. Это свидетельствует о начале ком- В образце 10 с проводимостью p-типа, полученпенсации примесей. При дальнейшем увеличении ко- ном при T = 570C, имеет место наличие максиФизика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 558 Т.И. Воронина, Т.С. Лагунова, С.С. Кижаев, С.С. Молчанов, Б.В. Пушный, Ю.П. Яковлев наиболее сильно занижают подвижность при комнатной температуре. Обусловленная ими подвижность µs -0.зависит от температуры: µs T [12]. Во-вторых, это крупные нейтральные скопления примесей и дефектов, искажающие линии тока и понижающие подвижность.

Воспользовавшись теорией эффективной среды [13], можно определить подвижность в проводящей матрице µ0 кристалла и долю объема, занимаемую скоплением. Еще один вид дополнительного рассеяния создают нейтральные атомы примеси; подвижность µN в этих случаях не зависит от температуры и µN = 3.08 · 1019/N, (2) где N — концентрация нейтральных примесей.

Полная картина механизмов рассеяния в исследуемых образцах может быть получена при совокупном анализе подвижности и магнитосопротивления, как поперечного ( /), так и продольного ( /). Поперечное магнитосопротивление ( /), т. е. изменение сопротивления в магнитном поле, направленном перпендикулярно линиям тока в образце, аддитивно складывается из физического ( /)phys, обусловленного лоренцовской подвижностью, и компоненты ( /)un hom, обусловленной существованием различных неоднородностей (скоплением дефектов, примесей, дислокаций Рис. 1. Зависимость коэффициента Холла от обратной теми т. д.):

пературы. Номера кривых соответствуют номерам образцов в табл. 1. / =( /)phys +( /)un hom. (3) Физическое магнитосопротивление / = Br(µH/c)2 (4) мума на температурной зависимости эффекта Холла, что указывает на проводимость по примесной в слабых полях (до µH/c 1) пропорционально H2, зоне (p 1.6 · 1018 см-3) аналогично InAs, легированноа коэффициент Br определяется механизмами рассеяния му Zn, полученному методом Чохральского.

Остановимся на анализе подвижности носителей тока в исследованных образцах. Известно, что подвижность, как и магнитосопротивление, — эффекты, чувствительные к механизму рассеяния, а также к виду рассеивающих центров. На рис. 2 представлены температурные зависимости подвижности. Видно, что во всех образцах, даже в исходном не легированном образце 1, в интервале температур 77-300 K экспериментальные значения подвижности µe очень низкие. Обычно понижение подвижности может быть вызвано компенсацией носителей тока. Однако форма температурной зависимости (слабая зависимость от температуры при низких температурах) не говорит в пользу этого предположения, а указывает на существование каких-то дополнительных механизмов рассеяния µde f, кроме рассеяния на колебаниях решетки µlat и ионах примеси µion. Экспериментальная подвижность складывается из этих трех компонентов:

1/µe = 1/µion + 1/µlat + 1/µde f. (1) В свою очередь µde f может определяться несколькими механизмами рассеяния. Во-первых, это могут быть Рис. 2. Зависимость подвижности от температуры. Номера объемные пространственные заряды (ОПЗ), которые кривых соответствуют номерам образцов в табл. 1.

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Выращивание и легирование магнием слоев InAs методом газофазной эпитаксии... Таблица 2. Результаты расчетов величин NA, ND, NN и k Количество 300 77 µLor, µ0, µs, µs, µN, NA, ND, NN, № вводимого Mg, f k образца см2/В · с см2/В · с см2/В · с см2/В · с см2/В · с 1016 см-3 1017 см-3 1015 см-мкмоль/мин 1 0 14300 5500 0.2 7600 28000 13400 6.2 1.4 23 0.2 0.047 22000 7840 7140 27800 21700 2.55 1.05 1.4 0.3 0.068 25000 11450 9500 37000 50000 2 1.05 0.6 0.4 0.190 25000 9800 9170 35700 25000 2 9.2 1.2 0.5 0.239 25000 9600 9260 36000 28000 1.9 1.07 1.1 0.6 0.971 8400 4200 0.06 5460 21300 13900 11 1.65 2.2 0.7 1.972 920 0.и теоретически не может быть больше 0.56. Как видно ность Лоренца µLor, обусловленная рассеянием на ионах из табл. 1, во всех исследуемых образцах Br > 0.56, что примеси и колебаниях решетки, значительно больше, указывает на заниженные значения подвижности и суще- чем измеренная экспериментальная подвижность Холствование дополнительных механизмов рассеяния или ла. Значение µLor, рассчитанное из условия µH/c = 1, неоднородностей. На рис. 3 представлена зависимость где H — поле, при котором кончается квадратичная величины ( /) от H при T = 77 K. Во всех образцах зависимость, у всех образцов приведено в табл. 2. Это в слабых магнитных полях (H < 4-5кЭ) ( /) воз- значение подвижности мы использовали при расчете растает H2, а при более высоких полях наблюдается концентрации доноров и акцепторов в исследованных отклонение от квадратичной зависимости. Интересно, образцах.

что окончание квадратичной зависимости зависит от Основным индикатором определения вида неоднородподвижности носителей тока в образцах, но наступает ностей в образце является продольное магнитосопропри более низких магнитных полях, чем это следовало тивление ( /), т. е. случай, когда векторы H и I бы из условия µH/c = 1, где µ — экспериментальная параллельны.

подвижность. Этот факт указывает на то, что подвиж- В однородном изотропном полупроводнике, каким является InAs, продольное магнитосопротивление должно отсутствовать, т. е. ( /) = 0. Если образец неоднороден, то ( /) может отличаться от нуля. Возможны две ситуации: ( /) > 0 и ( /) < 0.

Если ( /) имеет положительное значение, то это указывает на существование крупных нейтральных скоплений, приводящих к искажению путей протекания тока.

При этом кинетические эффекты описываются теорией эффективной среды следующим образом:

= 0(1 - 3/2 f ), (5) R = R0/(1 - 3/4 f ), (6) µ = µ0(1 - 3/2 f )/(1 - 3/4 f ), (7) ( /) = 0.3 f (µ0H/c)2, (8) где 0, R0, µ0 определяют эти параметры в матрице кристалла, а f — доля объема, занятая неоднородностями.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.